电缆屏蔽层接地方式对风机除冰叶片雷击浪涌影响仿真与试验

张银善

(上海电力大学电气工程学院，上海 200090)

0 引言

我国风力资源丰富，风能以其清洁，无污染，可再生的特点，成为目前主要的新能源之一，但我国风力资源分布不均匀，风电场主要集中在东北、华北和西北地区，以及云南和贵州等高原地带，这些地区冬季气温低，空气湿度大，冰冻期较长，容易造成风力发电机叶片覆冰[1]。风力发电机叶片覆冰会改变叶片原有的外形，增加叶片表面粗糙程度，影响叶片的气动性能，降低风力发电机的输出功率；覆冰带来的额外载荷会加剧叶片的振动，缩短叶片的使用寿命；叶片旋转时还会导致抛冰，存在潜在的安全隐患[2]。风机叶片制造商为解决覆冰问题研发了基于碳纤维加热网的除冰叶片，即在玻纤叶片外侧敷设一层碳纤维加热网，采用直流电源给加热网供电进行除冰，但在采用该技术之后，风机叶片遭受雷击的可能性增大，损伤结果更加严重[3]。为提高风机叶片的防雷性能，在碳纤维加热网外侧敷设一层金属屏蔽网进行保护。

目前的研究主要针对不具备除冰功能的风机叶片雷击防护问题以及其他应用场景下雷击浪涌问题，文献[4]针对玻纤叶片，提出了一种基于静电场仿真分析的方法来确定雷击初始附着区域，建立了风机叶片以及下行先导的全尺寸模型，运用3 维电磁场仿真软件分析了雷电先导在风机叶片上的附着特点。文献[5]仿真分析了59 m和79 m长的玻纤风机叶片感应电场分布和空间电势分布，评估了两种长度叶片的雷电防护区域，并对59 m的风机叶片接闪器分布进行了优化设计。文献[6-9]利用1∶30缩比风机模型，模拟真实风机旋转叶尖线速度，使用正负极性标准操作波，利用长间隙放电模拟真实雷电，通过试验研究了玻纤叶片旋转对叶片防雷装置接闪特性的影响。文献[10-13]研究了雷击玻纤叶片时先导的发展过程，讨论了先导的极性，雷击位置，临界电场强度对先导发展的影响，提出了判别稳定先导起始的初始流注动态临界长度判据。文献[14]针对玻纤叶片的雷击防护问题，提出了一种在叶片前缘/尾缘外覆条形导体的接闪系统设计方案，研究发现该方案可降低叶片内部接地引线表面电场强度,减小接地引线产生放电并引起叶片外部放电接闪的概率，文献[15-22]则是针对光伏电站，屋顶光伏建筑，配电线路，铁塔，核电站等场景下的雷击浪涌展开了研究，而关于采用碳纤维加热网的除冰叶片的雷击浪涌研究尚处于空白。

笔者在已有研究的基础上，针对基于碳纤维加热网除冰技术的风机叶片雷击防护问题，利用3维电磁场仿真软件对采用碳纤维加热网的风机叶片进行建模仿真，建立了叶片、碳纤维网加热系统、引下线、金属网防雷系统的电气模型，利用金属屏蔽层对含碳纤维加热网的风机叶片进行防雷保护，分析了不同供电电缆连接方式对敷设碳纤维加热网和金属屏蔽层的风机叶片雷击浪涌的影响，并利用9 m风机叶尖进行了试验验证。研究结果对敷设碳纤维加热网的风机除冰叶片防雷问题具有指导意义和工程价值。

1 风机除冰叶片结构

笔者研究的风机叶片采用玻璃纤维复合材料制成，其结构如图1所示，风机叶片自上而下分别为PS侧金属网，PS侧碳纤维加热网，叶片PS面，PS侧同轴电缆，引下线电缆，SS侧同轴电缆，SS面，SS侧碳纤维加热网，SS侧金属网。PS侧和SS侧金属网用于保护风机叶片免受雷击，碳纤维加热网通过电加热用来除去风机叶片表面的覆冰，供电电缆的屏蔽层以及引下线的端子耦合连接在接闪器上，当发生雷击时，雷电流可经接闪器，引下线电缆，供电电缆的屏蔽层进行泄放，见图2。其中供电电缆常采用含屏蔽层的同轴电缆，原因在于屏蔽层可以起到接地保护的作用，倘若芯线破损，泄漏电流可以经屏蔽层流入接地网，此外，屏蔽层还可以屏蔽外界的电磁场对芯线的干扰以及芯线电磁场对外部器件的影响。屏蔽层连接方式一般分为屏蔽层不接地，屏蔽层单侧接地和屏蔽层双侧接地。

图1 风机除冰叶片模型Fig.1 Wind turbine de-icing blade model

图2 风机除冰叶片切面图Fig.2 Sectional drawing of wind turbine de-icing blade

2 风机除冰加热系统的仿真模型

2.1 线缆模型

风机叶尖内部线缆包括一根引下线和两根用于供电的同轴电缆，引下线为长9 m，截面积75 mm2的铝芯单线，同轴电缆芯线为截面积6 mm2的铜芯，屏蔽层厚度0.5 mm，材质为铜，包裹于芯线上，护套采用PVC材料，见图3。

图3 供电电缆与引下线电缆截面示意图Fig.3 Schematic diagram of the cross-section of the power supply cable and the down conductor cable

芯线与屏蔽层之间的特征阻抗可表示为

(1)

当频率较低时，角频率趋于零:

(2)

此时，相位收敛到45度，幅值较大。

当频率为100 kHz到10 MHz时:

(3)

此时，相位收敛到零，幅值趋向于高频极限。

当频率更大时，由于芯线和屏蔽层之间存在介电损耗，电容逐渐减小。

(4)

2.2 碳纤维加热网模型

碳纤维是一种含碳量95%以上的的高强度、耐腐蚀、高模量的新型纤维材料。它由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到，具有优异的综合力学性能[23]。本研究采用文献[2]中的碳纤维加热网，其网孔示意图如图4所示。

图4 碳纤维加热网网孔示意图Fig.4 Schematic diagram of the mesh of the carbon fiber heating mesh

由于各网孔纵向和横向电阻相同，则其横向各节点为等电位点，即横向碳纤维上无电流通过，仅起支撑和导热作用。推导可得碳纤维发热网的等效电阻：

(5)

式中：ρl为碳纤维原丝线电阻率，单位为Ω·m；K为碳纤维丝束所含原丝根数；L为碳纤维布长度，单位mm；ΔL为网孔纵向边长，单位为mm；W为碳纤维布宽度，单位mm；ΔW为网孔横向边长，单位mm。

2.3 金属屏蔽网模型

金属屏蔽网由铜箔延展，切割出孔洞压制而成。文献[24]对金属网内部梗丝的趋肤效应进行了研究，研究结果表明，梗丝截面中心电流密度衰减为83%，远大于1/e,故金属网梗丝基本无趋肤效应。文献[25-29]研究发现金属屏蔽网的屏蔽效果不随网格密度的增大而增大，与网格疏密关系不大。因此，本研究将金属屏蔽网等效为相同厚度的铜箔，从而避免精细建模对计算机硬件资源的过高要求，缩短仿真时间，提高仿真效率。

铜箔的等效阻抗可表示为

(6)

式中ρ为铜的电阻率，单位为Ω·m；l为铜箔的长度，单位mm；S为铜箔的截面积，单位mm2；f为雷电流频率，单位MHz；L为电感，单位H；C为电容，单位F。

(7)

(8)

式中，μ0为真空中的磁导率，为4π×10-7H/m；D为铜箔与碳纤维加热网的间距，单位mm；R为铜箔的厚度，单位mm。

2.4 雷电流模型

本研究仿真中，雷电流模型采用双指数函数[30]表示，其表达式为

(9)

式中：I0为峰值电流，单位为A；α为衰减系数；β为上升系数；T1为波头时间常数；T2为波尾时间常数，雷电流的频率主要集中于100 kHz到10 MHz之间。根据风机雷击统计数据，选择24 kA作为仿真时雷击电流，根据IEC 62305-1，采用8/20 μs雷电流波形。

根据搭建的风机叶片模型、线缆模型、碳纤维加热网模型、金属屏蔽层模型、雷电流模型，在三维电磁场仿真软件中进行仿真，研究供电电缆的屏蔽层连接方式对除冰叶片雷击浪涌分配以及碳纤维加热网回路感应电流的影响。

3 仿真结果与试验验证

仿真边界条件设为open，仿真区域背景空间为空气,仿真频率位于100 kHz—10 MHz，采用六面体网格进行剖分，剖分密度为1/20波长，剖分后最小网孔边长为0.08 mm，使用离散端口作为信号波形与激励方式，应用瞬态时域求解器在电缆工作室和设计工作室中对供电电缆无屏蔽层，供电电缆屏蔽层单侧接地，屏蔽层双侧接地3种情况下除冰叶片的雷击浪涌进行场路耦合协同仿真。需要说明的是，由于仿真模型较为复杂，网格数量众多，而在仿真结果中主要关注各组件浪涌电流的峰值，故为节约仿真时间，设置大于峰值电流的时间为仿真计算时长。

3.1 仿真结果

当供电电缆屏蔽层不接地时，仿真结果如图5，图6所示，仿真结果表明：此时，雷电流主要经叶尖PS侧和SS侧的金属网以及引下线进行泄放，金属屏蔽网起到了较好的分流作用，当雷电流冲击达到24 kA,下侧金属网电流可达9.5 kA，上侧金属网分流7.3 kA,引下线分流7.2 kA,供电电缆的芯线和碳纤维加热网回路会产生较大的感应电流，当施加的激励为24 kA时，感应电流可达437 A。

图5 供电电缆屏蔽层不接地时仿真结果Fig.5 Simulation results when the shielding layer of the power supply cable is not grounded on one side

图6 供电电缆屏蔽层不接地时感应电流Fig.6 Induced current when the shielding layer of the power supply cable is not grounded

当供电电缆的屏蔽层单侧接地时,仿真结果如图7，8所示，仿真结果表明：仅单侧接地的电缆屏蔽层在风机叶片遭受雷击时无法起到分流作用，雷电流仍然主要从金属屏蔽网和引下线进行泄放，碳纤维加热网回路产生的感应电流小于供电电缆无屏蔽层时的情形，当冲击电流激励为24 kA时，感应电流峰值为396 A。

图7 供电电缆屏蔽层单侧接地时仿真结果Fig.7 Simulation results when the shielding layer of the power supply cable is grounded on one side

图8 供电电缆屏蔽层单侧接地时感应电流Fig.8 Induced current when the shielding layer of the power supply cable is grounded on one side

当供电电缆的屏蔽层双侧接地时，仿真结果如图9，10所示，仿真结果表明：此时，供电电缆的屏蔽层可以起到较好的分流作用，PS侧和SS侧电缆屏蔽层分流之和可达雷电流的1/4,芯线和碳纤维加热网回路的感应电流也较小，当施加冲击电流激励时为24 kA时，感应电流峰值为324 A。

图9 供电电缆屏蔽层双侧接地时仿真结果Fig.9 Simulation results when the shielding layer of the power supply cable is grounded on both sides

图10 供电电缆屏蔽层双侧接地时感应电流Fig.10 Induced current when the shielding layer of the power supply cable is grounded on both sides

综上所述，当风机除冰叶片遭受雷击时，应采用供电电缆的屏蔽层双侧接地的连接方式，这样既可以更快的泄放雷电流，而且加热网回路产生的感应电流最小，不易导致加热网因过电流而烧蚀，从而降低雷电冲击对除冰叶片的损害。

3.2 试验验证

为验证上述仿真模型的准确性和仿真结果的可靠性，搭建如图11所示的试验平台，进行雷击放电实验。

图11 风机叶尖雷击浪涌试验平台Fig.11 Wind turbine blade tip lightning surge test platform

3.2.1 试验设置

试验采用9 m玻璃纤维环氧树脂制成的叶尖截面，叶尖的PS侧和SS侧从头部至根部均敷设碳纤维加热网,加热网网孔为矩形，长9 m，厚0.148 mm，孔距为2.5 mm，网孔宽度0.21 mm。引下线采用长9 m，截面积为75 mm2的单芯铝绞线,供电电缆采用含屏蔽层的同轴电缆，芯线截面积，材质为铜，屏蔽层厚度为0.5 mm，电源线采用25 mm2截面积6 mm2的铜芯单线。

3.2.2 试验方法

将碳纤维加热网敷设在9 m叶尖的PS面和SS面，加热网外侧敷设金属屏蔽网，用来保护加热网，将金属屏蔽层两端打磨干净，压接500×50×3 mm铜板作为电极。将敷设好碳纤维加热网和金属屏蔽层的叶尖固定在绝缘支架上，叶尖背风面距地面不低于0.5 m。叶尖头部铜板电极经含屏蔽层的同轴电缆连接冲击电流发生器的输出端，叶尖根部经同轴电缆连接接地铜带。在叶尖根部电缆处安装电流互感器，用于监测PS侧和SS侧金属屏蔽层，碳纤维加热网，引下线以及供电电缆屏蔽层上的电流。冲击电流发生器分别施加不同幅值的8/20 μs标准冲击电流激励，利用示波器记录电流波形，同一条件下进行至少3次重复实验，取与平均值误差不超过10%的实验数据作为最终结果。

3.2.3 试验结果

针对不同供电电缆屏蔽层接地方式下的风机叶片施加相同大小的冲击电流激励，试验结果如图12所示。

图12 雷击浪涌试验结果Fig.12 Lightning surge test results

试验结果发现，当供电电缆屏蔽层不接地和单侧接地时，雷电流泄放路径相同，都主要经PS侧和SS侧金属网以及引下线进行泄放，并且这两种连接方式下各路径的分流比例相近，而当供电电缆的屏蔽层双侧接地时，供电电缆的屏蔽层承担了较大的分流作用，同时碳纤维加热网回路产生的感应电流最小，试验结果和仿真结果的雷击浪涌电流峰值误差在10%以内，二者具有较好的一致性。

4 讨论

供电电缆双侧接地情况下除冰叶片遭受雷击时碳纤维加热网回路感应电流与金属屏蔽网材料，雷电流波形之间的关系。

4.1 金属屏蔽网材料对碳纤维加热网回路感应电流的影响

仿真结果如图13所示，仿真结果表明，当雷电流幅值均为24 kA时，采用镍屏蔽网在碳纤维加热网回路产生的感应电流最大，而当铜网表面电镀一定的银粉时，碳纤维加热网回路的感应电流显著减小，具有更好的屏蔽效果，并且镀银铜网的抗氧化性能强于普通的铜网，因此在选择金属屏蔽网材料时，建议采用表面镀有银粉的银包铜网。

4.2 雷电流波形对碳纤维加热网回路感应电流的影响

改变雷电流的波形，分别选取相同幅值下波形为0.25/25，5/50，10/50三种雷电流波形，研究雷电流波形对碳纤维加热网回路感应电流波形的影响。仿真结果如图14所示，结果表明碳纤维加热网回路感应电流的波形与施加的雷电流波形有一定差异，感应电流的波头时间和半波长时间均小于雷电流的波头时间与半波长时间，通过对雷电流与碳纤维加热网回路感应电流之间关系的研究，结合风机安装区域的雷电监测与统计，有利于改进相关防雷装置的设计，优化防雷装置的选择。

5 结论

本研究建立了包含风机叶片、碳纤维网加热系统、引下线、金属网防雷系统的除冰叶片电气模型，通过对敷设碳纤维加热网和金属屏蔽层的除冰叶片进行数值仿真与试验，研究了供电电缆屏蔽层连接方式对雷击风机除冰叶片时浪涌电流分配和碳纤维加热网回路感应电流的影响，主要得到以下结论：

1)当供电电缆的屏蔽层不接地和屏蔽层单侧接地时，雷电流主要经叶尖PS侧和SS侧的金属网以及引下线进行分流,金属网起到了较好的分流作用，芯线和碳纤维加热网会产生较大的感应电流。

2)当供电电缆的屏蔽层双侧接地时，雷电流的除经PS侧和SS侧的金属网以及引下线泄放外，还会经供电电缆的屏蔽层进行分流，分流比例可达雷电流的1/4，电缆芯线与碳纤维加热网的感应电流较小。

3)风机除冰叶片供电电缆芯线和碳纤维加热网回路的感应电流与金属屏蔽网的材料以及遭受雷击时的雷电流有关，当铜网表面电镀一定的银粉时，碳纤维加热网回路的感应电流显著减小，屏蔽效果最好，感应电流波形与施加的雷电流波形有一定差异，感应电流的波头时间和半波长时间均小于雷电流的波头时间与半波长时间。